Стратегия допусков и базовых точек при литье под давлением: сколько запаса, где и зачем

Допуск на обработку при литье под давлением — это решение, которое чаще всего принимается по умолчанию, чем по расчету. Кто-то копирует значение из последнего чертежа или применяет 1 мм везде, и последствия проявляются через несколько месяцев в виде открытой пористости, поломанных инструментов, деформированных деталей или ячейки очистки кромки, которая не может удерживать стабильный край.

Мы видим это ежедневно на выходе. Деталь с недостаточным запасом поступает в участок доводки с еще на поверхности отливки, и робот вынужден резать глубже, чем запрограммировано, чтобы очистить ее, что меняет радиус кромки от детали к детали. Деталь с избыточным запасом вызывает тяжелую прерывистую обработку, оставляющую царапины, которые затем должен убрать полировщик, добавляя станцию и минуту к циклу.

В этой статье представлены значения допусков по типам и размерам деталей, режимы отказа на обоих концах, структуру базовых точек для деталей, изготовленных методом литья с последующей обработкой, особенности фиксации и то, как выбор влияет на снятие заусенцев и отделку.

Для чего на самом деле нужен допуск при обработке

Допуск — это не просто “лишний металл для снятия”. Он существует по четырем четко определенным причинам, каждая из которых подразумевает разное число:

• Удаление поверхности отливки. Поверхностный слой при литье под давлением плотный и мелкозернистый в первые 0,1–0,3 мм, затем он сменяется подповерхностным слоем, содержащим газовые поры, оксидные пленки и остатки смазки. Обработка ниже этого слоя обеспечивает надежную, однородную поверхность.
• Корректировка размерных отклонений. Толерантность при литье по линиям раздела и допуск по положению между элементами в противоположных половинах формы обычно составляет от ±0,15 до ±0,5 мм в зависимости от размера. Обработка должна иметь достаточно запаса, чтобы гарантировать, что рез всегда достигает чистого металла при худшем случае отливки.
• Обеспечение поверхности для позиционирования и зажима. Некоторый запас расходуется исключительно на создание базовой точки, которую следующая операция сможет удерживать.
• Учет деформаций. Обработка, выброс и термическая обработка все перемещают деталь. Допуск должен покрывать худший случай перемещения, иначе рез может прорвать поверхность в некоторых местах.

Минимальный допуск определяется суммой худшего случая отклонения отливки и глубины дефектного слоя поверхности, а не произвольным числом, которое кому-то нравится.

Допуски по типам и размерам деталей

Ниже приведены рабочие значения для алюминиевых и цинковых отливок под давлением с обычной вакуумной или стандартной вентиляцией, обработанных на ЧПУ с разумной жесткостью. Уменьшайте их, если способность отливки подтверждена исследованием возможностей; увеличивайте, если отливка крупная, тонкостенная или склонна к перемещению.

Два параметра регулировки важны. Во-первых, для цинковых сплавов, которые отливаются с более точными допусками и тонкими стенками, допуск обычно можно уменьшить на 30-40 процентов по сравнению с алюминиевыми показателями. Во-вторых, любая обработка после снятия заготовки с литейных форм требует достаточного запаса для компенсации ошибки перемещения, что и объясняет верхнюю границу этих диапазонов.

Полезная проверка: общий запас на сторону должен быть примерно в 2-3 раза больше ожидаемого общего отклонения при литье по этой оси. Если ваше исследование показывает ±0,25 мм по линии раздела, минимальный математический запас — 0,5 мм, а практический — 0,8 мм.

Почему слишком малый запас приводит к пористости

Недостаточный запас — более опасная ошибка, потому что она создает дефект, который проходит входной контроль и выходит из строя в эксплуатации.

• Рез прорезает звуковую кожу в пористый слой. Газовая пористость в литом изделии редко равномерна; она концентрируется на глубине 0,5-2,0 мм под поверхностью в толстых секциях и в месте последнего заполнения. Обработка поверхности на 0,4 мм может выявить полосу пор шириной 0,3-0,8 мм, которая была невидима до реза.
• Герметичные поверхности протекают. Глубина канавки для уплотнительного кольца с открытой межпористостью, связанной с другими, не проходит тест на утечку давления. Решение не в более глубокой обработке бракованных деталей, а в большем запасе в конструкции или вакуумном литье.
• Дефекты покрытий и анодирования. Подповерхностный газ, который выживает после обработки, расширяется во время анодирования или отверждения порошка, и деталь вспучивается после прохождения финальной проверки.
• Несогласованный внешний вид. Поверхность, которая только частично очищается, показывает островки отлитой кожи, окружённые ярким обработанным металлом. Ни одна полировочная последовательность не восстанавливает это с эстетической точки зрения, потому что две области отражают свет по-разному независимо от шероховатости поверхности.
• Срок службы инструмента и стабильность процесса. Прерывистый рез, который зацепляется только на высоких точках искривленного отливка, вызывает вибрацию, заикание и переменную нагрузку на инструмент. Эта изменчивость и делает обработанную поверхность нестабильной, а не просто неправильной.

Тест, который мы используем при рассмотрении нового чертежа: берём худший образец отливки из исследования возможностей, измеряем фактический запас материала на каждом обработанном элементе и подтверждаем, что минимальное значение превышает глубину реза с запасом. Если это измерение не выполнено, запас — это догадка.

Почему слишком большой запас стоит дороже, чем вы думаете

Избыточный запас кажется безопасным и тихо стоит дорого.

• Цикловое время. Удаление запаса пропорционально объёму, и при фрезеровании плоскости с допуском от 0,8 до 1,5 мм обычно увеличивает время реза на этой поверхности на 20-40 процентов. На детали с шестью обработанными поверхностями это реальные деньги за штуку.
• Срок службы инструмента. Больше удалённого металла означает больше износа инструмента, больше замен и больше вариаций по мере износа инструмента по партии.
• Тепло и деформация. Более глубокий рез нагревает деталь и вызывает более сильное напряжение отливки, которое происходит несимметрично. Детали, которые были плоскими после отливки, могут деформироваться после агрессивной обработки торцовкой, и деформация обнаруживается при финальной проверке.
• Больше снятия заусенцев. Каждая обработанная кромка — это заусенец, который может появиться, и размер заусенца зависит от глубины реза и подачи. Торцовка на 1,5 мм у выступа даёт значительно больший заусенец, чем рез на 0,6 мм.
• Вес отходов и переплавка. На детали с 1 кг удалённого материала приходится 1 кг стружки, которую нужно убирать, обрабатывать отдельно и переплавлять.

Суть коммерческой точки заключается в том, что допуск является совместной затратой. Проектировщик отливки указывает его, поставщик обработки оплачивает часть, а участок финишной обработки — оставшуюся часть за удаление заусенцев. Он должен устанавливаться один раз, на основании доказательств, для всех трех этапов.

Структура базовых точек для деталей с последующей обработкой на станке

Структура базовых точек — это то, где большинство программ с последующей обработкой на станке действительно ошибаются, чаще, чем сам допуск.

Принцип прост: базовые признаки, используемые для позиционирования отливки для первой операции обработки, должны быть признаками, которые существуют на каждой отливке, в одном и том же месте, с повторяемой геометрией, и они не должны создаваться этой же операцией.

Рабочая схема три-две-один для типичного корпуса:

• Первичный эталон. Три точки на самой большой отливной плоской поверхности или на трех специально добавленных подкладках для этой цели. Три изолированные подкладки гораздо лучше, чем одна большая плоская поверхность, потому что отливки никогда не бывают идеально плоскими, а трехточечный контакт не качается.
• Вторичный эталон. Две точки на второй отливной поверхности, перпендикулярной первичному, или на боковых стенках двух полых отверстий.
• Третичный эталон. Одна точка на третьей поверхности или на стороне отливного выступа, чтобы предотвратить вращение.

Правила проектирования, которые мы применяем:

• Добавляйте обрабатываемые подкладки к отливке. Три-четыре небольшие выступающие подкладки диаметром 8-15 мм, расположенные в одной плоскости с отливкой, почти не увеличивают стоимость инструмента и улучшают повторяемость фиксации. Это самое ценное изменение конструкции, доступное для большинства деталей.
• Держите все критические обработанные поверхности привязанными к одному набору эталонов. Если отверстие с одной стороны размечено от линии раздела, а поверхность с другой — от отливного выступа, вы накапливаете два независимых источника отклонений.
• Обрабатывайте эталоны в первую очередь, если они понадобятся позже. Для процесса из двух операций операция 10 должна создавать точные эталоны, на которых будет ориентироваться операция 20, и допуск должен включать запас для этих эталонных поверхностей.
• Избегайте эталонов, пересекающих линию раздела. Особенности, образованные обеими половинами формы, учитывают смещение линии раздела и возможное смещение половин формы, и они являются наименее повторяемыми характеристиками отливки.

Определение положения по отливным поверхностям или по обработанным эталонам

Оба варианта допустимы, и выбор зависит от требований к допуску.

Определение положения по отливным поверхностям это обычный подход при первой операции. Его точность ограничена повторяемостью отливки, обычно ±0,1 до ±0,3 мм для определения положения на опорных площадках, и хуже на больших или тонких деталях. Преимущества: отсутствие дополнительных операций, отсутствует дополнительный запас, и эталоны всегда присутствуют. Недостатки: накапливается вариация, и любое искажение отливки перемещает эталоны вместе с ней.

Определение положения по обработанным эталонам является правильным подходом для второй операции и для любых допусков примерно менее ±0,05 мм. Преимущества: повторяемость улучшается до возможностей станка, обычно ±0,01 до ±0,02 мм. Недостатки: требуется предварительная операция для создания эталонов, необходим зазор на этих поверхностях эталонов, и — что критично — деталь теперь расположена по признакам, созданным во время её фиксации в возможно искаженном состоянии. Если деталь пружинит после первого реза, обработанные эталоны геометрически точны друг относительно друга, но остальная часть детали может больше не находиться там, где она указана в чертеже.

Определение положения по встроенной функции, такой как отверстие вставки это третий вариант, который хорошо работает: вставка является стабильной по размеру, и её отверстие обычно более точно, чем любая поверхность отливки. Требуется, чтобы сама вставка точно размещалась в матрице, что является реальным ограничением процесса литья.

Практический гибрид для массового производства: грубо обработать всё с опорных площадок после отливки, затем завершить обработку всех критических признаков за одну последующую операцию по эталонам, созданным в процессе черновой обработки. Один зажим, одна система координат, все критические связи созданы в одной настройке.

Влияние на проектирование приспособлений

Приспособление — это место, где структура эталонов становится реальностью, и отливки накладывают требования, которых не требуют детали, обработанные из заготовки.

• Учитывайте вариацию отливки. Фиксированные жесткие зажимы на отливке с вариацией ±0,4 мм либо не подойдут, либо заставят деталь занять позицию и затем освободить её после обработки. Используйте регулируемые или пружинные зажимы, или зажимайте на небольших опорах, которые компенсируют вариацию.
• Зажимайте на прочных участках. Зажим на тонкой стенке или ребре искажает деталь; обработка затем происходит на искажённой детали, и признак выходит за допуск, когда зажим снимается. Зажимайте на выступе, на обработанной площадке или прямо на эталоне.
• Поддержка при резке. Тонкие полки и стенки требуют поддержки под силой резания, иначе они прогибаются, и рез оставляет коническую форму. Вакуумная или низкотемпературная поддержка иногда оправдана на больших тонких деталях.
• Обработка всплесков и остатков линии разъёма. Поверхности эталонов должны быть свободны от всплесков, иначе деталь будет опираться на всплески, и каждое измерение сместится. Разработайте карманы для снятия всплесков вокруг эталонов и укажите пределы всплесков на чертеже отливки.
• Метки от толкателей. Штифты выбрасывателя оставляют поднятые или вдавленные следы обычно от 0,05 до 0,3 мм, в зависимости от износа штифта и регулировки. Никогда не размещайте эталон на следе штифта выбрасывателя. Укажите на чертеже отливки, где допустимы следы выбрасывателя, и избегайте их на всех опорных площадках эталонов.
• Управление стружкой и охлаждающей жидкостью. Опилки при литье под давлением мелкие и абразивные. Приспособления должны иметь дренаж и очистку от стружки, иначе стружка застрянет под деталью, и она будет плавать.

Линия разделения, следы от формовочного пуансона и расположение литника

Три особенности литья определяют большую часть сложности как при обработке, так и при отделке, и их следует указывать на чертеже литья, а не обнаруживать позже.

• Линия разделения. По возможности размещайте её подальше от обработанных поверхностей и уплотнительных поверхностей. Если она должна пересекать обработанную поверхность, укажите допустимую высоту наплыва (обычно 0,1 до 0,2 мм) и допустимое смещение (обычно 0,1 до 0,3 мм в зависимости от размера детали), а также добавьте допуск соответственно.
• Метки от толкателей. Укажите допустимую глубину выступающих или углубленных следов и их допустимое расположение. Следы на косметической поверхности становятся заметными после полировки, потому что полировка не удаляет углубление в 0,2 мм, она только делает его блестящим.
• Расположение литника. Литник оставляет след, который необходимо удалить, обычно путём обрезки, а затем шлифовки. Размещайте литник на неэстетичной, неотносительной к базовой поверхности области, и укажите допустимый размер следа литника (обычно от 0 до 0,5 мм выступающего или вровень с поверхностью до 0,3 мм ниже). След литника на поверхности, которую затем шлифует робот, добавляет переменное количество снятого материала.

Как выбор допуска влияет на удаление заусенцев и отделку

Операция отделки — последняя, и она наследует все решения, принятые на предыдущих этапах.

• Глубина реза определяет размер заусенца. Фасадный рез, который выходит за границы на глубине 1,5 мм, образует заусенец примерно в два-четыре раза больше объема, чем при глубине 0,5 мм. Размер заусенца влияет на расход абразивных материалов, цикл обработки и на то, достаточно ли одного прохода или нужен двухпроходной режим.
• Переменный запас означает переменные результаты. Если литие варьируется на ±0,4 мм, а станок снимает фиксированные 1,0 мм, то итоговая геометрия будет постоянной, но количество образовавшихся заусенцев — переменным. Если же станок обрабатывает до фиксированного размера, глубина реза меняется, а вместе с ней и заусенец. В любом случае, операция отделки получает переменный вход, который именно и предназначен для поглощения силовых контролируемых шпинделей.
• Открытая пористость недопустима для исправления на следующем этапе. Ни одна последовательность шлифовки или полировки не закрывает пору. Единственный возможный вариант — углубить рез, что нарушит размеры, или списать деталь. Поэтому допуски и процесс литья должны рассматриваться на одном этапе ревизии.
• Полировка усиливает, а не исправляет дефекты. Полированная поверхность показывает каждый подсубповерхностный дефект как яркую или тёмную точку. Постоянный допуск выше поры — самый дешевый способ обеспечить высокий процент первой проходной при косметической полировке поверхности.
• Геометрию кромки следует указывать. Обработанная кромка должна иметь определённый скос, обычно 0,1 до 0,5 мм под углом 45 градусов или радиус в той же области. Указание этого на чертеже исключает споры и делает программируемой роботизированную ячейку для достижения целевого результата.

Правильное зазор и датумы в основном являются задачей проектирования литейных форм, и толерантности при литейном штамповке алюминия определяет ожидаемую возможность до того, как вы укажете запас. В части отделки, автоматическая обработка кромок для производственного качества охватывает то, как условие резки влияет на дизайн ячейки, и дефектах и решениях при алюминиевом литом под давлением охватывает дефекты литейных изделий, от которых предназначен зазор.

DZ Machinery создает роботизированные ячейки для удаления заусенцев, шлифовки и полировки для литейных форм и фурнитуры для кранов, и мы указываем эти ячейки в соответствии с фактическим состоянием заусенцев и запаса ваших обработанных литых деталей. Отправьте нам чертеж детали с указанным запасом обработки, а также образец до и после обработки, и мы предоставим вам концепцию ячейки с реалистичным временем цикла и определенной целью по качеству кромки.